全球分布海洋细菌通过磺基奎诺糖苷酶驱动浮游植物来源的磺酸盐碳流

《Nature Communications》：Cosmopolitan marine bacteria facilitate a vast phytoplankton-derived sulfonate-based carbon flow through sulfoquinovosidases

　　本研究针对海洋中有机硫化合物（尤其是磺基奎诺糖苷类物质）的转化过程及其对海洋碳循环的定量贡献尚不明确的问题，开展了关于海洋细菌代谢磺基奎诺糖(SQ)和磺基奎诺糖甘油(SQGro)的机制研究。研究人员发现并表征了Alteromonas macleodii细菌中一种新型糖苷水解酶家族31(GH31)的磺基奎诺糖苷酶(AmSqgH)，证实其能水解SQGro释放SQ。通过宏基因组和宏转录组分析，发现磺基奎诺糖苷酶基因(sqgH, sqgA)及其转录本在全球海洋中广泛存在且活跃，尤其在光合作用旺盛的表层海洋。研究进一步量化了代表性藻类中磺基奎诺糖二酰基甘油(SQDG)、SQGro和SQ的丰度，并基于现场样本估算出海洋中此类磺酸盐化合物的年碳周转量高达约1.5 Pg C/yr。该研究揭示了一个此前未被充分认识的、基于有机磺酸盐的庞大碳库及其在海洋微生物食物网中的关键作用，对理解海洋碳硫循环具有重要意义。

　　

在广袤的海洋中，微小的浮游植物通过光合作用固定二氧化碳，构成了海洋食物网的基础，并驱动着全球的生物地球化学循环。除了贡献大量的有机碳，浮游植物还合成并释放种类繁多的有机硫化合物，这些分子在海洋微生物的相互作用中扮演着关键角色。其中，一类名为磺基奎诺糖苷的化合物尤为引人注目，它们包括磺基奎诺糖二酰基甘油(SQDG，一种广泛存在于光合生物膜中的重要硫脂)、其去酰基形式磺基奎诺糖甘油(SQGro)以及单糖形式的磺基奎诺糖(SQ)。据估计，全球SQDG的年产量高达百亿吨级，暗示其在海洋碳硫库中可能占据重要地位。然而，这些磺基奎诺糖苷化合物在海洋生态系统中的具体转化途径、由哪些微生物参与、以及它们对海洋有机碳库的定量贡献，长期以来仍是未解之谜。

为了揭开这一谜团，来自厦门大学、墨尔本大学等机构的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项重要研究。他们发现了一种名为Alteromonas macleodii的常见海洋细菌能够利用SQ和SQGro作为生长底物，并从中鉴定出一种属于糖苷水解酶家族31(GH31)的新型磺基奎诺糖苷酶，命名为AmSqgH。这种酶能够特异性地水解SQGro，释放出SQ。进一步的分析表明，编码这类磺基奎诺糖苷酶的基因及其转录本在全球海洋中，尤其是在光合作用活跃的表层海水中广泛存在且高度活跃。研究人员还系统评估了多种海洋藻类中SQDG、SQGro和SQ的细胞内含量，并通过对沿海和开阔大洋现场样品的分析，首次估算出这类磺酸盐化合物对海洋有机碳循环的年贡献量可达约1.5 Pg（拍克，即10¹⁵克）碳。这项研究揭示了一个由浮游植物产生、经由海洋细菌降解的庞大有机磺酸盐碳流，极大地深化了我们对海洋微生物食物网及碳硫循环耦合的理解。

本研究综合运用了多种关键技术方法：通过DNA稳定性同位素探针(DNA-SIP)技术结合¹³C₆-SQ标记，识别了硅藻相关微生物群落中能够代谢SQ的细菌类群；利用蛋白质组学分析筛选并鉴定了细菌在利用SQ和SQGro过程中特异性高表达的蛋白；通过基因克隆、异源表达和蛋白纯化获得了关键酶（如AmSqoD, AmSqgH, RdSqgA等），并进行了酶学性质表征和动力学参数测定；利用液相色谱-质谱联用(LC-MS)技术精准定量了培养藻类和海洋现场颗粒物样品中的SQDG、SQGro、SQ以及2,3-二羟基丙烷-1-磺酸盐(DHPS)等有机磺酸盐的含量；基于Tara Oceans宏基因组和宏转录组数据库以及中国渤海、九龙江口等沿海站位的测序数据，深入分析了磺基奎诺糖苷酶及相关代谢基因(sqgH, sqoD, sqgA, smoC)在全球海洋中的分布与表达规律；运用生物信息学工具（如AlphaFold2结构预测、系统发育分析、分子对接等）对关键酶的进化、结构和功能进行了深入探索。

Identification of SQ-catabolizing bacteria within diatom-associated microbial communities.

（硅藻相关微生物群落中SQ降解细菌的鉴定）

研究人员首先从非无菌培养的硅藻（Thalassiosira pseudonana 220）中分离其附生细菌，并利用¹³C标记的SQ进行DNA稳定性同位素探针实验。结果发现，Alteromonadaceae（交替单胞菌科）和Roseobacteraceae（玫瑰杆菌科）的细菌能够显著地同化¹³C，表明它们具备代谢SQ的能力。其中，Alteromonas macleodii（ATCC 27126菌株）在添加SQ的培养体系中优势度显著增加。实验证实该菌能够以SQ为唯一碳源生长，在36小时内消耗约64%的SQ，并产生硫酸根和亚硫酸根。蛋白质组学分析揭示了一个由8个蛋白组成的基因簇在SQ存在下表达量显著上调，其中包括一个与Marinobacterium aestuarii ST58-10来源的MaSqoD（一种Fe²⁺依赖的α-酮戊二酸：SQ双加氧酶，属于sulfo-SDO途径）同源性为34%的蛋白（MASE_18005，命名为AmSqoD）。通过重组表达和纯化AmSqoD，证实其能够催化SQ的C-S键断裂，生成亚硫酸根和6-脱氢葡萄糖。该基因簇还包含预测的双组分亚硫酸脱氢酶和硫酸盐转运蛋白等，共同构成了A. macleodii ATCC 27126的SQ代谢途径。系统进化分析表明，大多数A. macleodii菌株（22/24）都含有负责SQ代谢的sulfo-SDO途径。

Growth of marine bacteria on SQ glycosides: discovery of a novel sulfoquinovosidase in A. macleodii ATCC 27126.

（海洋细菌在SQ糖苷上的生长：在A. macleodii ATCC 27126中发现一种新型磺基奎诺糖苷酶）

研究进一步发现，Roseobacter denitrificans OCh 114和A. macleodii ATCC 27126都能利用SQGro生长。在R. denitrificans OCh 114中，其sulfo-SMO基因簇上游编码一个GH188家族的蛋白（RdSqgA），该酶是NAD⁺依赖的磺基奎诺糖苷酶，能作用于SQGro产生SQ。对于A. macleodii ATCC 27126，其在36小时内消耗了77%的SQGro，并产生亚硫酸根和硫酸根，提示其含有能将SQGro水解为SQ的磺基奎诺糖苷酶。蛋白质组学数据中，MASE_18025（命名为AmSqgH）在SQGro存在下表达量上调了15倍。序列分析显示AmSqgH与来自大肠杆菌K-12的EcYihQ和根癌农杆菌C58的AtSQase（均属于GH31_13亚家族）的序列同一性较低（约28%）。LC-MS分析证实重组AmSqgH能将SQGro水解为SQ。该酶对人工底物对硝基苯基磺基奎诺糖苷(PNPSQ)表现出高活性，其酶动力学参数为 k_cat= 119 ± 19 s^-1, K_M= 13.0 ± 2.2 mM, k_cat/K_M= 9170 ± 1490 M^-1s^-1。结构比对和分子对接分析表明，尽管AmSqgH与GH31_13亚家族酶共享保守的催化双氨基酸（天冬氨酸），但其底物结合口袋的氨基酸残基存在显著差异，采用了一套独特的残基（R302, T377, K412, F513）来识别和结合SQGro。AmSqgH和RdSqgA也表现出SQDG水解活性。这些磺基奎诺糖苷酶缺乏信号肽，提示其为胞内酶，因此SQGro更可能是其天然底物。

SqgH belongs to a distinct clade of family GH31.

（SqgH属于GH31家族中的一个独特分支）

系统发育分析将AmSqgH及其同源蛋白划分为一个独立的分支，与GH31家族中已定义的20个亚家族均不同。先前已表征的GH31磺基奎诺糖苷酶（如EcYihQ和AtSQase）属于GH31_13亚家族，并与sulfo-SDO以外的SQ降解途径相关。尽管在系统发育上与SqgH分支接近，但GH31_3和GH31_6亚家族的蛋白对PNPSQ没有可检测的活性（GH31_3对PNPXyl或PNPGlc有活性）。SqgH分支和GH31_13亚家族似乎是趋同进化的例子，它们各自独立地从GH31家族的共同祖先演化而来，分别发展了在海洋和非海洋环境中水解SQGro的能力。

Ubiquitous distribution of sulfoquinovosidase and SQ-catabolizing genes in marine environments.

（磺基奎诺糖苷酶和SQ降解基因在海洋环境中的普遍分布）

对Tara Oceans数据库及中国沿海站点的分析表明，sqgH、sqoD（sulfo-SDO途径关键基因）、sqgA和smoC（sulfo-SMO途径关键基因）的基因及其转录本在全球海洋中广泛存在。原核生物sqgH转录本的丰度（中位数：0.09%）与sqoD（中位数：0.11%）几乎相当，而sqgA转录本丰度（中位数：0.88%）略低于smoc（中位数：1.60%）。sqgH、sqgA、sqoD和smoc的丰度（无论是在宏基因组还是宏转录组水平）均与叶绿素a浓度呈正相关，表明SQGro的活跃细菌代谢主要发生在光合作用旺盛的海域。在Tara Oceans所有站点中，细菌sqgH的宏基因组丰度、转录本及sqoD转录本在透光带（深度<200米）略低于中层带（200-1000米），而细菌sqgA和smoc的宏基因组丰度及其转录水平在透光带显著高于中层带。此外，sqgA基因也存在于海洋γ-变形菌（特别是Oceanospirillaceae）中，但其转录本在Tara Oceans样本中很少被检测到。这些发现提示，Alteromonadaceae和Roseobacteraceae细菌是全球海洋中SQGro和SQ的主要消费者。

Abundances of sulfoquinovosyl compounds in culturable algae.

（可培养藻类中磺基奎诺糖苷化合物的丰度）

研究检测了多种蓝细菌和藻类（包括硅藻、颗石藻、鞭毛藻、甲藻、绿藻、原绿球藻和聚球藻）中的SQDG、SQGro和SQ含量。在所有被研究的藻类中均检测到了这三种化合物。培养藻类中SQGro的浓度范围为40至1870 μM，SQ的浓度范围为8至242 μM。甲藻Alexandrium tamarense中的SQ和SQGro浓度最低，而硅藻Skeletonema costatum中的浓度最高。在藻类中，硅藻的SQGro浓度几乎是SQ的10倍。颗石藻和定鞭藻门物种也显示出SQGro显著高于SQ。相比之下，蓝细菌表现出更高的细胞内SQ浓度。SQDG在所有被研究的藻类中均以毫摩尔级的细胞浓度存在，其浓度比SQGro高2到3个数量级。所有被研究的海洋藻类培养物的胞外代谢物库中均检测到SQGro，表明该化合物可以从光合生物释放到海水中。

Abundance of organosulfonates in the ocean.

（海洋中有机磺酸盐的丰度）

对海洋颗粒物（3-200 μm）中磺基奎诺糖苷化合物和DHPS的现场调查显示，这些化合物在沿海和开阔大洋的真光层内广泛分布。观测到的浓度与叶绿素a呈正相关：SQDG（Pearson's r = 0.77, p = 7.5 × 10^-8）、SQGro（r = 0.61, p = 1.4 × 10^-4）、SQ（r = 0.70, p = 1.5 × 10^-5）和DHPS（r = 0.35, p = 6 × 10^-2）。颗粒有机碳(POC)也与叶绿素a呈正相关（r = 0.82, p = 3.9 × 10^-9），表明这些有机硫化合物主要来源于光合作用。地理分布模式显示，沿海环境中的磺基奎诺糖苷化合物浓度显著高于开阔大洋。SQDG的浓度显著高于SQGro和SQ。SQGro和SQ的浓度与广泛认可的海洋有机磺酸盐代谢网络中的重要物种DHPS相当。所有调查站点的SQDG主要由具有28-32个碳原子脂肪酸链的中等链长脂肪酸组成。海洋环境中SQDG的碳硫摩尔比中位数高达42:1。与SQ、SQGro和DHPS（对POC的贡献中位数分别为0.11%, 0.01%, 0.01%）相比，SQDG对POC的贡献更大（中位数：5.5%）。虽然这些磺基奎诺糖苷化合物仅占沿海POC的5.3%，但它们对开阔大洋POC的贡献可达7.4%，可能增强全球开阔大洋表层水的碳输出。

讨论与结论

本研究深入揭示了海洋中一个庞大且此前未被充分认识的有机磺酸盐碳流。研究证实，携带sqgH或sqgA磺基奎诺糖苷酶基因的细菌主要分布于海洋环境，并与浮游植物密切相关。Alteromonadaceae和Roseobacteraceae作为机会主义细菌，能够高效利用浮游植物衍生的磺基奎诺糖苷化合物。研究更新了对海洋中SQDG、SQ、SQGro和DHPS年产量的估算。基于这些化合物浓度与叶绿素a的相关性，并假设处于稳态动力学过程，结合全球净初级生产力（53 Pg C/yr）以及用于异养消耗的藻类POC比例（50%），研究人员估算出SQDG的年产量为1.5 Pg C/yr（中位数），SQ为28.4 Tg C/yr，SQGro为3.9 Tg C/yr，DHPS为3.0 Tg C/yr。尽管SQDG的年产量与海洋DMSP（3.8 Pg C/yr）相当，但其碳硫比远高于DMSP，这意味着磺基奎诺糖苷化合物主要为微生物食物网提供碳源，而其硫的贡献相对较小。海洋细菌通过裂解这些化合物中的碳-硫键来利用藻类碳源，释放的亚硫酸盐则被矿化为硫酸盐。

该研究还发现，SQGro和SQ在硅藻和颗石藻中的浓度比先前报道的DHPS低1-2个数量级，但磺基奎诺糖苷化合物在藻类中的分布更为广泛。研究证实SqgA同源物广泛存在于各种海洋藻类（包括硅藻、颗石藻、甲藻和红藻）中，并具有磺基奎诺糖苷酶活性，表明藻类自身也可能通过SqgA参与SQDG或SQGro的降解，这可能是其获得SQ的一种途径。

综上所述，这项研究阐明了海洋藻类产生的大量磺基奎诺糖苷化合物（SQDG、SQGro、SQ）构成了海洋有机质库的重要组成部分。广泛分布的海洋细菌通过表达多样的磺基奎诺糖苷酶，积极参与水解磺基奎诺糖苷，从而催化释放出的磺基糖，为海洋微生物食物网提供能量和碳源。这些发现揭示了这些丰富的有机磺酸盐物种与维持海洋生态系统至关重要的碳循环之间存在潜在的关键联系，极大地增进了我们对海洋碳硫循环耦合机制的理解。